ADS5263 16 位四通道 100-MSPS 高 SNR ADC 技术文档总结

采用CMOS工艺技术和创新电路技术，该ADS5263设计为能够在低功耗下工作，并以4-Vpp全量量输入实现极高的信噪比性能。采用低噪声的16位前端级，接着14位ADC，该器件可提供85 dBFS最高10MHz的信噪比，最高可达30 MHz，且信噪比优于80 dBFS。

ADS5263 具有 14 位低功耗模式，作为四通道 14 位 ADC 工作。 这 16位前端阶段被关闭，该部件的功耗几乎只有16位模式。14位模式支持2-Vpp的全量量输入信号，典型的74 dBFS信噪比。ADS5263可以在两种分辨率模式间动态切换。这使得系统能够在高分辨率高功耗模式或低分辨率低功耗模式下使用同一部件。
*附件：ads5263.pdf

该设备还配备了一个数字处理模块，集成了多种常用的数字功能，如数字增益（最高可达12 dB）。它包含一个数字滤波器模块，该模块具有内置的减分滤波器（具有低通、高通和带通特性）。 这 减压率也可以编程（按2、按4或按8分组）。这使得它在窄带应用中非常有用，可以利用滤波器提升信噪比和敲振谐波，同时降低输出数据率。

该设备包含一种平均模式，可以对两个通道（甚至四个通道）进行平均以提升信噪比。一个非常独特的特性是可编程映射模块，它允许输入通道与LVDS输出引脚之间的灵活映射。这有助于大大减少LVDS输出路由的复杂性，并有可能通过减少PCB层数来实现更便宜的系统板。设备的规格范围涵盖工业温度范围–40°C到85°C。

特性

• 最大采样率：100 MSPS
• 可编程器件解析
  • 四通道，16位，高信噪比模式
  • 四通道，14位，低功耗模式
• 16位高信噪比模式
  • 1.4 W 总功率，功率为100 MSPS
    • 355毫瓦 / 频道
  • 4 Vpp 全尺寸输入
  • 85 dBFS 信噪比在 f 处 在 = 3 MHz，100 MSPS
• 14位低功耗模式
  • 785毫瓦总功率，100 MSPS
    • 195 mW/频道
  • 2-VPP 全量度输入
  • 74-dBFS 信噪比，f值 在 = 10 MHz
  • 集成钳（用于与
    CCD传感器接口）
• 低频噪声抑制
• 数字处理模块
  • 可编程FIR消极滤波器
  • 可编程数字增益：0 dB 至 12 dB
  • 2通道或4通道平均
• ADC输入
  通道与LVDS输出引脚之间的可编程映射——简化了电路板
  设计
• 验证
  FPGA/接收器数据捕获的多种测试模式
• 串行LVDS输出
• 内部与外部参考
• 3.3伏模拟电源
• 1.8伏数字电源
• 在1个时钟
  周期内从6 dB过载中恢复
• 包：
  • 9毫米×9毫米64针QFN导弹
  • MRI
    系统的非磁性封装选项
• CMOS技术

参数

方框图

ADS5263 是德州仪器（TI）推出的一款四通道中高速 ADC，最高采样率 100 MSPS，支持 16 位高 SNR 模式与 14 位低功耗模式动态切换，集成数字处理模块与灵活 LVDS 接口，适用于医疗成像（MRI 光谱）、CCD 成像等对精度与功耗有双重需求的场景。

一、芯片基础信息与核心特性

1. 基础规格

• 文档与型号 ：文档编号 SLAS760D，2011 年 5 月发布、2015 年 11 月修订；提供非磁性封装选项（-NM 后缀），适配 MRI 系统。
• 供电与温度 ：模拟电源（AVDD）3.3V，数字电源（LVDD）1.8V，无电源上电顺序要求；工作温度 - 40°C 至 85°C，结温最高 125°C，满足工业级环境要求。
• 封装与散热 ：9mm×9mm 64 引脚 QFN 封装，结到环境热阻 20.6°C/W，结到底部外壳热阻 0.4°C/W，底部裸露焊盘需焊接至 PCB 接地平面以优化散热。

2. 核心性能指标

• 分辨率与精度 ：16 位模式无失码，INL±5 LSB（典型）/±12 LSB（最大），DNL±0.1 LSB；14 位模式为低功耗简化版本，线性度表现稳定。
• 采样与动态性能 ：最高采样率 100 MSPS，16 位模式下 3MHz 输入时 SNR 达 85 dBFS，SFDR 最高 89.7 dBc，ENOB 最高 12.8 Bits；14 位模式下 10MHz 输入时 SNR 为 74 dBFS，总功耗仅 785 mW。
• 输入与带宽 ：16 位模式支持 4Vpp 满量程输入，14 位模式为 2Vpp；模拟输入带宽 700 MHz，支持差分输入，输入阻抗 2.5 kΩ（直流），适配中高频信号采集。
• ESD 与可靠性 ：人体放电模型（HBM）±2000 V，静电防护能力达标；支持 6dB 过载恢复，恢复时间仅 1 个时钟周期，稳定性可靠。

二、关键功能模块与工作原理

1. 核心功能模块

• 双模式架构与数字处理模块 ：
  • 支持 16 位高 SNR 模式（总功耗 1.4W，每通道 355 mW）与 14 位低功耗模式（总功耗 785 mW，每通道 195 mW），可动态切换。
  • 集成数字处理模块，包括 0-12 dB 可编程数字增益、2/4/8 倍抽取 FIR 滤波器（低通 / 高通 / 带通可选）、2/4 通道平均功能，可通过数字处理提升 SNR 最高 8.5 dB。
• 灵活接口与映射功能 ：
  • LVDS 输出支持 1 线 / 2 线接口， serialization 系数可选 14×/16×/18×，适配不同数据率需求；支持通道数据与 LVDS 输出引脚可编程映射，简化 PCB 布线。
  • 支持内部 / 外部参考模式，内部参考提供 1.5V 共模电压（VCM 引脚），外部参考可通过 VCM 引脚输入 1.45V-1.55V 电压，提升温度稳定性。
• 辅助功能 ：
  • 内置 CCD 传感器接口钳位功能，支持低频率噪声抑制（LFNS），优化直流至 1MHz 低频段噪声性能。
  • 提供多种测试图案（斜坡、同步、去偏斜图案），便于 FPGA / 接收器数据捕获验证。

2. 工作原理

• 采用电容开关差分采样保持架构，结合多级小分辨率转换与数字校正逻辑，实现高线性度转换；采样由外部输入时钟上升沿触发，数据经过 16 个时钟周期延迟后输出。
• 模拟信号经差分输入缓冲后采样，16 位模式下通过完整前端放大与转换链路输出，14 位模式下关闭部分前端电路以降低功耗；数字部分支持偏移二进制 / 二进制补码输出格式，可通过抽取滤波器降低输出数据率。

三、应用场景与设计建议

1. 典型应用

• 医疗成像 ：MRI 光谱系统，依赖非磁性封装与高 SNR 特性，避免成像伪影。
• CCD 成像 ：通过集成钳位功能与低功耗模式，适配 CCD 传感器信号采集，平衡精度与系统功耗。

2. 设计注意事项

• 电源与去耦 ：AVDD 与 LVDD 需独立供电，每个电源引脚就近并联 0.1µF 去耦电容，电源源头可搭配 10µF、1µF 电容组合，降低电源噪声。
• 输入与时钟设计 ：
  • 模拟输入需差分驱动，共模电压需匹配 1.5V（VCM 引脚输出），高频输入（>50MHz）需优化驱动电路，移除串联电感避免带宽限制。
  • 采样时钟支持差分（LVDS/LVPECL）或单端（LVCMOS）输入，时钟幅度 0.2Vpp-1.6Vpp，占空比 35%-65%，抖动需严格控制以保证动态性能。
• 布局与散热 ：
  • 采用接地平面设计，模拟区域与数字区域严格分区，数字输出走线避免与模拟输入平行，减少串扰。
  • 底部裸露焊盘需通过过孔连接至 PCB 接地平面，大面积敷铜增强散热，避免结温超过 125°C 额定值。
• 校准与配置 ：上电后需通过硬件复位或软件复位初始化寄存器；模式切换（如 16 位 / 14 位、数字滤波器开关）后建议重新校准，确保性能稳定。

四、关键配置与操作要点

1. 核心功能配置

• 工作模式选择 ：
  • 分辨率模式：通过寄存器（Addr:B3）选择 16 位高 SNR 模式或 14 位低功耗模式，支持动态切换。
  • 数字处理配置：通过寄存器选择数字增益（Addr:2A）、滤波器类型与抽取率（Addr:2E-31）、通道平均模式（Addr:2C），18 位数据输出需启用 18× serialization 模式（Addr:46）。
• 接口配置 ：
  • LVDS 输出：通过寄存器（Addr:46）选择 1 线 / 2 线模式与 serialization 系数，数据格式支持偏移二进制或二进制补码。
  • 参考模式：通过 INT/EXT 引脚与寄存器（Addr:42、F0）选择内部 / 外部参考，外部参考需在 VCM 引脚输入稳定电压。

2. 操作流程

• 复位与初始化 ：上电后需通过 RESET 引脚（硬件复位）或寄存器（Addr:0）执行软件复位，初始化所有寄存器至默认值。
• 模式配置 ：根据应用需求配置分辨率模式、数字处理模块与 LVDS 接口参数，配置完成后等待 10µs（待机唤醒）或 60µs（全局掉电唤醒）使配置生效。
• 低功耗优化 ：支持单通道独立掉电（Addr:F）与全局掉电 / 待机模式，未使用通道掉电后可降低功耗，重新上电后需等待稳定时间再启动数据采集。